Антифризные белки: уход от адаптивного конфликта, или история о том, как из одного гена получается два, и каждый дочерний ген выполняет свою функцию

Ученые проследили эволюцию гена антарктического налима (Lycodichthys dearborni), позволяющего рыбе выживать в ледяных водах Антарктического океана.(Credit: Christina Cheng)

Опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследование на молекулярном уровне подтверждает происхождение семейства «белков-антифризов», помогающих антарктическим налимам выживать в холодных водах Антарктического океана, и существующую уже много десятилетий гипотезу об одном из ключевых механизмов эволюции.

«Я всегда задавала себе вопрос, как появились антифризные белки», - говорит профессор биологии Университета Иллинойса (University of Illinois) Кристина Ченг (Christina Cheng), посвятившая изучению генетической адаптации, позволяющей антарктической рыбам выживать в одной из самых холодных зон на планете, три десятилетия своей научной работы. «Клетка обычно не создает новые белки с нуля».

То, что последовательности генов, кодирующих семейство белков-антифризов (известных как AFPIII), очень похожи на часть последовательности гена, кодирующего один из клеточных ферментов человека, ученым известно с 2001 года. Так как антарктические рыбы также вырабатывают этот фермент, синтазу сиаловой кислоты (SAS), считалось, что гены белков-антифризов каким-то образом развились из дуплицированной копии гена SAS. Но ни одно исследование не показывало, как это произошло, опираясь на надежные экспериментальные данные.

Ченг и ее коллеги из Китайской академии наук (Chinese Academy of Sciences) начали со сравнения последовательностей генов SAS и AFPIII.

У рыб существует два гена SAS: SAS-A и SAS-B. Ученые подтвердили, что гены AFP III содержат последовательности, которые наиболее близки к последовательностям одной из областей SAS-B.

Кроме того, они обнаружили последовательность в гене SAS-B, которая при трансляции в новый белок могла – с некоторыми модификациями – побуждать клетку к его секреции. Эта незначительно модифицированная сигнальная последовательность присутствует и в гене AFPIII. В отличие от ферментов SAS, которые остаются внутри клетки, белки AFPIII выделяются в кровь или межклеточную жидкость, где им легче нарушать рост образующихся кристаллов льда.

«По существу это демонстрирует, как что-то «живущее» внутри клетки может приобрести новую функциональность и переместиться в кровь, чтобы делать что-то еще», - комментирует результаты работы Ченг.

Дальнейший анализ подтвердил, что белки SAS, функционирующие как ферменты, имеют и слабо выраженную способность связывать лед. Эти данные подтверждают давно высказанную гипотезу, предполагающую, что, если отдельный ген начинает выполнять более одной функции, его дупликация может привести к дивергентной эволюции исходного гена и его дубликата.

Новые данные подтверждают и предложенный механизм, названный «уходом от адаптивного конфликта» (escape from adaptive conflict, EAC), посредством которого могут происходить подобные эволюционные события. В соответствии с этой идеей, если ген имеет более одной функции, мутации или другие изменения в результате естественного отбора, усиливающие одну из функций, могут подавить другие его функции.

Профессор Университета Иллинойса Кристина Ченг проводит исследования, отслеживающие эволюцию гена антифризного белка антарктических рыб от гена белка с совершенно другой функцией. (Photo by L. Brian Stauffer)

«Первоначальная функция фермента и появившаяся функция связывания льда предковой молекулы SAS могли конфликтовать друг с другом», - считает Ченг. Когда ген SAS-B дуплицировался в результате ошибки в копировании или какого-либо другого случайного клеточного события, каждый из дуплицированных генов вышел из конфликта и «смог пойти своим собственным эволюционным путем».

«Это первая четкая демонстрация – с убедительной поддержкой в виде молекулярных и функциональных доказательств – ухода от адаптивного конфликта как основного процесса дупликации генов и создания совершенно новой функции одной из дочерних копий» - утверждает Ченг. «В области молекулярной эволюции это еще не было подтверждено».

Еще до того, как образовался ген, секретирующий белок-антифриз, исходный белок SAS, по-видимому, имел как ферментативную, так связывающую лед функции. Это говорит о том, что каким-то образом белок SAS (который не секретируется) функционировал внутри клетки, нарушая рост кристаллов льда.

Это могло происходить на ранних стадиях эволюции рыб, считает Ченг, так как яйца откладывались в холодную окружающую среду и могли бы получить некоторое преимущество даже от незначительных антифризных возможностей белка SAS.

Позднее, когда ген SAS дуплицировался, и ген AFP встал на свой собственный эволюционный путь, антифризный белок, по-видимому, эволюционировал в секретируемый белок, что позволило ему нарушать образование льда в крови и экстрацеллюлярной жидкости, где он мог принести максимальную пользу взрослой рыбе.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом (National Science Foundation) США и Китайской академией наук.

По материалам

Researchers show how one gene becomes two (with different functions)

Оригинальная статья:

Evolution of an antifreeze protein by neofunctionalization under escape from adaptive conflict